Попов А.В. (Институт теплофизики СО РАН), Горшков В.Г. (ООО «ОКБ Теплосибмаш»), Леванов О.С. (Калининская АЭС), Лысцов С.О. (Запорожская АЭС).Анализ эффективности различных типов водоохлаждающих машин на атомных электростанциях. Тяжёлое маш. 2010. №4.
Для нормальной эксплуатации энергоблоков АЭС, например, с реактором ВВЭР-1000 требуется до 1000 м3/ч воды с температурой 7-12°C. Требуемую холодильную мощность (до 4500 кВт) можно производить с использованием различных типов водоохлаждающих машин: компрессорных хладоновых (КХМ); пароэжекторных (ПЭХМ); абсорбционных бромистолитиевых (АБХМ). Выработка холода - процесс достаточно энергоемкий и дорогостоящий. Поэтому выбор типа холодильных машин для конкретного объекта должен выполняться на основе технико-экономического анализа с учетом таких факторов как надежность и безопасность.
Для выбора водоохлаждающей машины для энергоблока АЭС с водо-водяным реактором ВВЭР-1000 был проведен анализ эффективности следующих типов холодильных машин:
- пароэжекторные с открытым испарителем;
- турбокомпрессорные электроприводные хладоновые;
-абсорбционные бромистолитиевые с паровым или водяным обогревом с одноступенчатой регенерацией раствора АБХМ-П(В);
-абсорбционные бромистолитиевые с паровым обогревом и двухступенчатой регенерацией раствора АБХМ2-П. [1]
Рис.1 Удельные энергетические показатели холодильных машин различных типов на холодильную мощность 1000 кВт для холодоснабжения потребителей нормальной эксплуатации АЭС.
а – пароэжекторная холодильная машина (ПЭХМ)
б – компрессорная электроприводная холодильная машина (КХМ)
в – абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина с паровым обогревом и двухступенчатой регенерацией раствора (АБХМ2-П)
г - абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина с паровым (водяным) обогревом и одноступенчатой регенерацией раствора (АБХМ-П(В))
На рисунке приведены расчетные энергетические затраты (пара, электроэнергии, охлаждающей воды) на 1000 кВт холодильной мощности различных типов холодильных машин. Для корректного сравнения энергетической эффективности электроприводных и теплоиспользующих холодильных машин энергия потребляемого в ПЭХМ и АБХМ пара из отборов турбины пересчитана в потерю электрической мощности турбины, потребление охлаждающей воды учтено в затратах электроэнергии на ее циркуляцию. В расчетах приняты энтальпии рабочего пара из отборов и в конденсаторе турбоустановки К-1000-60/300, работающей в составе энергоблока.
.jpg)
В таблице приведены энергетические затраты на холодоснабжение в целом энергоблока ВВЭР-1000 с различными типами холодильных машин. В расчетах принята потребляемая холодильная мощность энергоблока 4500 кВт.
Анализ показывает, что в составе энергоблоков АЭС наиболее энергоэффективными являются абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины с паровым обогревом и двухступенчатой регенерацией раствора (АБХМ2-П). Их энергетическая эффективность выше одноступенчатых АБХМ в 1,6 раза, компрессорных электроприводных в 2-2,2 раза, пароэжекторных в 4 раза.
Использование машин типа АБХМ2-П позволяет снизить годовое потребление электроэнергии на собственные нужды энергоблока ВВЭР-1000 по сравнению с ПЭХМ на 7,5-15 млн. кВт•ч и по сравнению с КХМ на 3,5-7 млн. кВт•ч в зависимости от времени работы холодильной станции в году. Следует также отметить, что использование АБХМ по сравнению с ПЭХМ приводит к экономии охлаждающей воды в объеме 12-20 млн. м3/год.
Кроме высокой энергетической эффективности, современные АБХМ имеют ряд других положительных качеств, таких как:
- экологическая чистота;
- безопасность и бесшумность при эксплуатации;
- отсутствие динамических нагрузок на фундаменты;
- исключение утечек рабочих сред (например, хладона в КХМ) и их попадание во внешние коммуникации;
- длительный срок службы (более 25 лет);
- высокая ремонтопригодность.
АБХМ широко применяются во всем мире в различных отраслях промышленности, энергетике (в т.ч и на АЭС), коммунальном хозяйстве и т.д. В таких промышленно развитых странах, как Япония и Южная Корея 60% водоохлаждающих машин - абсорбционного типа. В Канаде и Китае получение плюсового холода в абсорбционных машинах составляет 50%, в США, Германии, Испании и Франции – 30%, а в России-1%.
В СССР производство и применение АБХМ было начато еще в середине 60х годов прошлого столетия. Серийно выпускались машины холодильной мощностью 2500 кВт и 1100 кВт с паровым и водяным обогревом (соответственно АБХА-2500 и АБХА-1000). Всего было выпущено таких машин ~600 штук суммарной мощностью 1360 МВт. Они использовались в различных отраслях, в т.ч и на АЭС (Смоленской, Курской, Воронежской). Это были отечественные машины первого поколения. В 1990г. данные машины были сняты с производства как морально устаревшие. Они значительно уступали зарубежным аналогам по сроку службы, надежности, габаритам, массе, эксплуатационным затратам на обслуживание.
В 2001 году в России было начато производство АБХМ нового поколения [2,3]. В настоящее время выпускаются машины с паровым, водяным, огневым обогревом с одноступенчатой и двухступенчатой регенерацией раствора мощностью от 600 до 4000 кВт. Российские машины нового поколения имеют полную заводскую готовность, оснащены блоками управления и защиты, приборами КИПиА. Теплообменные поверхности машин изготавливаются из коррозионно-стойких материалов (медноникелевых сплавов и нержавеющих сталей). Многолетний опыт эксплуатации отечественных АБХМ нового поколения показал их высокую надежность и эффективность.[4]
Преимущества АБХМ перед КХМ:
- более высокая энергетическая эффективность (в 2-2,2 раза), экологическая чистота, низкий уровень шума при работе (у АБХМ 50-55 децибел, у КХМ 80-85 децибел), простота в ремонте и обслуживании;
- срок службы АБХМ свыше 25 лет, срок службы компрессора КХМ 15-18 лет;
- экономичный режим работы АБХМ в диапазоне 10-100% мощности, КХМ 70-100%;
- компоновка АБХМ в едином агрегате на опорной раме, полная заводская готовность сокращают сроки и стоимость строительно-монтажных работ на месте их эксплуатации;
- отсутствие вибродинамических нагрузок у АБХМ позволяет их монтировать на площадке, рассчитанной только на статическую нагрузку от массы машины (КХМ требуют мощные фундаменты);
- в АБХМ все процессы протекают в вакууме, а хладоагентом является вода, низкие затраты на ремонт (нет быстроизнашивающегося компрессора), существенно ниже эксплуатационные расходы на обслуживание;
- в КХМ все процессы протекают под избыточным давлением от 0,3 до 1,7 МПа, при этом ежегодные потери дорогостоящего хладона и компрессорного масла составляют до 20% объема заправки (в АБХМ хладоагент и абсорбент нелетучи);
- в АБХМ отсутствует проблема озонобезопасности, в то время как применяемые в современных КХМ хладоны имеют ограниченную озонобезопасность и их потери строго контролируются инспектирующими органами;
- снижение требований к вентиляции помещений с АБХМ (в помещениях с КХМ вытяжка воздуха должна обеспечиваться снизу и сверху с установкой более мощных вентиляторов).
Основной недостаток ПЭХМ по сравнению с АБХМ - низкая энергетическая эффективность (в 4 раза). Кроме этого, в случае появления течи в конденсаторе ПЭХМ, охлаждающая вода попадает в конденсатный бак турбоагрегата и, для использования конденсата ПЭХМ требуется создание автоматизированного контроля его качества.На действующих АЭС принято более простое решение – сливать конденсат в обратный трубопровод технического водоснабжения, что приводит к его потере. У АБХМ этой проблемы нет.
ПЭХМ с открытым испарителем (без теплообменной стенки) должна располагаться относительно циркуляционных насосов охлаждаемой воды на высоте не менее 8 м. АБХМ имеют закрытый испаритель, поэтому место установки насоса охлаждаемой воды не имеет значения.
Следует отметить, что для применения КХМ на действующих АЭС необходим большой объем работ по реконструкции энергоблоков, в т.ч. системы электроснабжения собственных нужд из-за значительного увеличения потребления электроэнергии.
Габаритные размеры российских АБХМ нового поколения не вызывают затруднений при размещении их вместо ПЭХМ, в т.ч. на действующих энергоблоках АЭС. Оснащение современной автоматикой позволяет эксплуатировать АБХМ в составе АСУ ТП энергоблоков АЭС.
Заключение.
Сравнение различных типов водоохлаждающих холодильных машин показывает, что, по удельным энергозатратам, эксплуатационным расходам, экологической безопасности и надежности, наиболее предпочтительными для применения на АЭС являются абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины с паровым обогревом двухступенчатой регенерацией раствора. Их применение на АЭС сокращает энергозатраты на холодоснабжение в 2-4 раза по сравнению с другими типами машин.
Несмотря на неоспоримые преимущества теплоиспользующих абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин (АБХМ) перед другими типами холодильных машин, на российских АЭС предусматриваются использование АБХМ только на 4-ом энергоблоке Калининской АЭС.
В проектах новых энергоблоков АЭС по-прежнему закладываются энергоемкие, морально устаревшие, снятые с производства пароэжекторные холодильные машины (ПЭХМ). В частности это касается энергоблоков №№2,3,4 Волгодонской АЭС, блоков №3,4 Хмельницкой АЭС (Украина). Для новых атомных станций (например, Ново-Воронежской АЭС №2) планируется применение электропотребляющих компрессорных хладоновых холодильных машин.
Почему это происходит?
Корпорация «Росэнергоатом» (Россия) и НАЭК «Энергоатом» (Украина), несмотря на неоднократные обращения, ответа на данный вопрос не дают.
Литература
1. Бараненко А.В., Тимофеевский Л.С., Долотов А.Г., Попов А.В. «Абсорбционные преобразователи теплоты». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2005.- 338 с.
2. Попов А.В. Российские абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы нового поколения // Холодильная техника. - 2006. №6. – С.26-28
3. Попов А.В. Абсорбционные бромистолитиевые машины для охлаждения и нагрева воды. //Энергосбережение. - 2007. №7.- С.52-55
4. Горшков В.Г., Паздников А.Г., Мухин Д.Г., Севастьянов Р.В. Промышленный опыт и перспективы использования отечественных абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин и тепловых насосов нового поколения.//Холодильная техника. - 2007. №8.- С. 23-29
